Struttura

Le membrane ceramiche hanno normalmente una struttura asimmetrica composta almeno da due, principalmente tre, diversi livelli di porosità. Effettivamente, prima dell'applicazione dello strato superiore attivo e microporoso, uno strato intermedio mesoporoso è spesso applicato per ridurre la rugosità superficiale. Il supporto macroporoso garantisce la resistenza meccanica del nanofiltro.
Le membrane ceramiche sono formate spesso da elementi asimmetrici e multicanale. Tali elementi sono raggruppati insieme in alloggiamenti e questi moduli di membrana possono sostenere le elevate temperature estreme condizioni di acidità o alcalinità e elevate pressione operative, rendendole adatte a molte applicazioni dove membrane polimeriche ed altre mambrane inorganiche non possono essere utilizzate. Parecchie dimesioni dei pori della membrana sono disponibili per soddisfare filtrazione specifica, coprendo le gamme di microfiltrazione, ultrafilatrazione e nanofiltrazione (da 5 mm a 1000 Daltons).

Materiali

Le membrane ceramiche oggi vanno dalla A alla Z in termini di materiali (dall'a-allumina allo zircon). Le membrane più comuni sono composte dagli ossidi di Al, Si, Ti o Zr, con Ti e Si più stabili degli ossidi di Si o di Al. In alcuni casi meno frequenti, Sn o Hf sono usati come elementi base. Ogni ossido ha una carica superficiale differente in soluzione. Altre membrane possono essere composte da ossidi mescolati di due degli elementi precedenti, o sono stabilite da alcuni composti supplementari presenti nella concentrazione secondaria.

Flusso

Le membrane ceramiche funzionano con il metodo di filtrazione a flusso trasversale. Tale metodo ha il beneficio di realizzare un alto grado di filtrazione per i filtri a membrana rispetto al modo di filtrazione a flusso diretto dei filtri convenzionali. La filtrazione a flusso trasversale è un processo continuo in cui il flusso di alimentazione fliusce parallelamente(tangenzialmente) alla superficie di filtrazione della membrana generando due flussi uscenti.
Una piccola frazione di alimentazione, detta permeato o filtrato, si separa come liquido purificato che attlaversa la membrana. La frazione dell'alimentazione restante, denominata trattenuto o concentrato, contiene particelle rifiutate dalla membrana.
La separazione è guidata dalla differenza di pressione attraverso la pressione di membrana, o trans-membrana. Il flusso parallelo del flusso di alimentazione, combinato con la turbolenza dello strato di confine generata dalla velocità del flusso trasversale, spazza via continuamente le particelle e l'altro materiale che altrimenti si accumulerebbe sulla superficie della membrana.

Forme degli elementi

Le membrane ceramiche disponibili in differenti forme da parecchi fornitori, soprattutto tonde ed esagonali e con vari diametri delle scanalature. Una costruzione multicanale fornisce densità di impacchettamento della membrana piu' elevata rispetto a un elemento tubolare della stessa lunghezza. Gli elementi di ceramica della membrana hanno guarnizioni di sigillatura fissate ad ogni estremità e sono quindi montati all'interno degli alloggiamenti, disponibili in 316L SS, polivinilidene ed altre leghe. Un'installazione industriale tipica avrà alcuni di questi moduli organizzati in serie e/o in configurazione parallela.

Applicazioni

Le membrane ceramiche sono sempre più utilizzate in un'ampia gamma di industrie quali biotecnologia, farmaceutiche, latterie, alimenti e bevande, così come nell'industria chimica ed il petrochimica, microelettronica, rifiniture di metalli e produzione di energia. Ogni industria presenta spacifiche necessita' e opportunita'.
I moduli di membrana possono sostenere temperature elevate, pH estremi pH (0 - 14) e alte pressioni di funzionamento, fino 10 bar (145 psi) senza preoccupazione per il consolidamento, la delaminazione o il gonfiamento della membrana. Ciò rende tali membrane adatte a molte applicazioni dove membrane polimeriche ed altre inorganiche non potrebbero essere utilizzate.
Inoltre, le membrane ceramiche sono ideali per la pulizia chimica sul posto ad alte temperature, mentre usando sostanze caustiche, cloro, perossido di idrogeno, ozono e acidi inorganici forti e/o usando la sterilizzazione a vapore.

Applicazioni industriali

La chiarificazione dei succhi di frutta naturali come mela, mirtillo e uva è una delle applicazioni industriali più riuscite ed ampiamente esercitate delle membrane di ceramica.
Nelle filtrazioni della spremuta della canna da zucchero le membrane di ceramica possono essere utilizzate in varie fasi nella produzione di zicchero grezzo e raffinato. La necessità di comprare, usare ed deporre i sostegni del filtro è quindi eliminata.
Le membrane ceramiche sono utilizzate per la chiarificazione del brodo di fermentazione in numerose installazioni numerose in tutto il mondo, con successo in confronto ad altre tecnologie come membrane polimeriche, filtrazione sotto vuoto e centrifugazione.

Per concludere, in molte applicazioni che implicano processi chimici c'e' la necessità di trattare non soltanto i flussi residuali, ma anche di recuperare e riutilizzare i prodotti chimici. Le membrane di ceramica possono essere applicate a questo fine, cioè filtrazione di solventi chimici, acqua reflua da tinture e pigmenti dal trattamento delle tinte e dagli impianti di coloritura e dall'acqua reflua altamente variabile che contiene detersivi, polimeri ed solventi organici.

Sviluppo futuro

Le membrane polimeriche e ceramiche formano chiaramente due tipi diversi di membrane moderne per osmosi inversa/nanofiltrazione, ciascuno con le proprie caratteristiche e possibilità. Con le applicazioni idriche che momentaneamente dominano ancora pesantemente il mercato di NF/RO, l'avvento di nuove membrane resistenti per NF rivela ampie, nuove ed emozionanti occasioni nei processi chimici industriali.
Le circostanze a volte dure incontrate in tali processi favoriscono l'uso delle membrane di ceramica. Per dirigere gli sviluppi futuri nella sintesi di membrane per NR/RO sia resistente ai solventi che per acqua, e' findamentale una buona comprensione dei meccanismi di trasporto. Considerando che le interazioni polimero-acqua sono ben documentate e capite, molto lavoro deve ancora di essere fatto per applicazioni a prova di solvente.

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Source: Rishi Sondhi, Ramesh Bhave and Gary Jung, 'Applications and benefits of ceramic membranes', Membrane Technology November 2003